傳統(tǒng)以太網(wǎng)的傳輸機制類似于公路運輸，從一個地方去到另一地方所需的時間取決于沿途公路的擁堵情況，時延往往波動較大并具有不確定性。隨著以太網(wǎng)應(yīng)用的推廣，音視頻應(yīng)用首先對以太網(wǎng)傳輸提出了確定性時效的需求。想象在一個廣闊的球場上東西兩側(cè)各有一個以太網(wǎng)連接的揚聲器，揚聲器中間可能經(jīng)過多個交換機設(shè)備，當主持人講話時，我們希望兩個揚聲器能夠同時發(fā)聲，而不會出現(xiàn)一前一后疊音的情況；進一步的，即使同個網(wǎng)絡(luò)拓撲中還有其他應(yīng)用在使用流量，我們也希望兩個揚聲器的效果是穩(wěn)定的。
為了解決以太網(wǎng)中音視頻同步穩(wěn)定傳輸?shù)膯栴}，IEEE AVB （Audio Video Bridging） 工作組制定了一組802.1的以太網(wǎng)標準，包含802.1AS, 802.1Qat, 802.1Qav等協(xié)議。隨著工業(yè)自動化和汽車市場對以太網(wǎng)實時通信需求的迅速增長，2012年AVB工作組更名為TSN （Time-Sensitive Networking） 工作組，擴展AVB技術(shù)的適用范圍以統(tǒng)一解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中的時效性問題。相對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，AVB 主要提供了以下三個能力：
預(yù)留帶寬 （Bandwidth-reservation）
流量優(yōu)先級 （Traffic-priorititzation）
時間同步 （Time-synchronization）
TSN 擴展了AVB的能力，增加了兩個新的能力：
時間調(diào)度流量 （Time-scheduled traffic）
搶占幀 （Frame-preemption）
TSN 是一組IEEE 802.1協(xié)議標準，包括 802.1AS-Rev, 802.1Qbv, 802.1Qbu, 802.1CB等多個協(xié)議，工作在OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層 - 數(shù)據(jù)鏈路層。
802.1AS（-Rev） Timing and Synchronization
全局時鐘同步是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定性通信的重要機制。802.1AS是IEEE 1588 PTP （Precision Time Protocol） 同步協(xié)議的一個推廣，它支持兼容不同TSN設(shè)備之間的同步。時鐘同步為每個參與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的流量調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。TSN中還定義了802.1AS-Rev來增加對容錯和多個主時鐘源的支持。
如下圖，時鐘同步在多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中進行時，Slave節(jié)點同步到的時間為原主節(jié)點時間累加上鏈路延時（Pdelay），數(shù)據(jù)傳輸用時（transmissionTime）以及停留時間（residenceTime）：
TimeSynced = preciseOriginTimestamp + correctionField（1） + Pdelay（2） + transmissionTime（2）
correctionField（1） = Pdelay（1） + residenceTime + transmissionTime（1）
802.1Qbv Scheduled Traffic
流量調(diào)度是TSN中的一個核心概念?；?02.1AS提供的共享全局時間，802.1Qbv在參與的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間創(chuàng)建和分發(fā)一個時間計劃表。802.1Qbv定義了控制TSN交換機出口處發(fā)送隊列的閥門開關(guān)的機制。計劃流量所在隊列在預(yù)定的時間窗口到達后會被放行傳輸，而在同個時間窗口中其他非計劃流量的隊列會被阻止傳輸，因此排除了計劃流量被非計劃流量阻塞的可能性。這意味著通過每個交換機的延遲是確定的，通過TSN網(wǎng)絡(luò)的消息延遲可以得到保證。
如下圖示意，交換機出口隊列的閥門好比十字路口的紅綠燈，當有計劃好的關(guān)鍵消息需要傳輸時，關(guān)鍵消息所在的隊列綠燈放行，而其他非關(guān)鍵消息的隊列則紅燈暫停傳輸。在汽車領(lǐng)域，新興的以太網(wǎng)作為主干的汽車電子架構(gòu)中，傳輸在車載以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)既有需要實時響應(yīng)的關(guān)鍵車控信號數(shù)據(jù)（如剎車信號）也有重要性略低的車載娛樂應(yīng)用流量，802.1Qbv使得我們可以針對不同類型的流量調(diào)度，實現(xiàn)車控信號實時傳輸而娛樂流量則見縫插針的使用車載以太網(wǎng)帶寬。
802.1Qbu Frame Preemption
雖然802.1Qbv機制保護關(guān)鍵消息不受其他網(wǎng)絡(luò)流量的干擾，但它并不一定導致最佳帶寬使用或最小的通信延遲。當這些因素很重要時，可以使用802.1Qbu中定義的搶占機制。802.1Qbu允許中斷標準以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸，以便允許高優(yōu)先級幀的傳輸，然后在不丟棄之前傳輸?shù)闹袛嘞⑵蔚那闆r下恢復(fù)傳輸。
如下圖所示，綠色幀為關(guān)鍵消息，橙色幀為非關(guān)鍵消息，橙色幀先到達并開始傳輸。在可搶占式的MAC中，當綠色幀到達時，允許中斷橙色幀的傳輸，先傳輸綠色幀，完成后再繼續(xù)橙色幀的傳輸，從而使得關(guān)鍵消息更早完成傳輸。
802.1CB Frame Replication & Elimination
802.1CB定義了在多鏈路中通過復(fù)制幀冗余管理實現(xiàn)消息高可用傳輸?shù)姆椒ā榱颂岣呖捎眯?，相同消息的冗余副本通過不相交的路徑并行在網(wǎng)絡(luò)中傳輸（用于路徑控制和保留的802.1Qca標準定義了如何設(shè)置這些路徑）。冗余管理機制將這些來自不同鏈路的冗余消息聚合在一起，去除重復(fù)消息后生成發(fā)送給接收方的單個信息流。
如下圖，同樣的消息在上下兩條鏈路中傳輸，即使其中一條鏈路中某個節(jié)點出現(xiàn)故障，消息仍能從另外的鏈路被投遞到目的節(jié)點。由于802.1CB工作在數(shù)據(jù)鏈路層，幀復(fù)制和重復(fù)幀消除的操作對應(yīng)用層透明。
802.1Qcc Central Configuration Method
802.1Qcc定義了TSN的網(wǎng)絡(luò)管理接口和協(xié)議。它對流保留協(xié)議（802.1Qat）的增強包括支持更多流、可配置流保留類和流、更好地描述流特性、支持第3層流、確定性流保留收斂以及用于路由和保留的用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）。802.1Qcc支持TSN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的離線和在線配置，采用集中配置模式，由1或多個CUC（集中用戶配置）和1個CNC（集中網(wǎng)絡(luò)配置）構(gòu)成。CUC制定用戶周期性時間相關(guān)的需求并傳輸過程數(shù)據(jù)到CNC，CNC計算TSN配置以滿足需求。
802.1Qci Per-stream Filtering and Policing
為了防止流量過載影響網(wǎng)絡(luò)中的接收節(jié)點，802.1Qci可以在交換機入口處根據(jù)到達時間，速率和帶寬等信息過濾掉部分數(shù)據(jù)幀，避免錯誤的或惡意的節(jié)點破壞整個網(wǎng)絡(luò)，將故障隔離在網(wǎng)絡(luò)中的特定區(qū)域。
802.1Qca Path Control and Reservation
802.1Qca用于發(fā)現(xiàn)和收集網(wǎng)絡(luò)拓撲中的節(jié)點信息，以發(fā)現(xiàn)拓撲中可用于冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟幌嘟宦窂健?/p>
TSN消除了傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于交通擁堵導致的不確定性，對于具有關(guān)鍵時間約束的應(yīng)用TSN是必不可少的。目前TSN的發(fā)展已經(jīng)可以滿足汽車對可預(yù)測延遲和保證帶寬不斷增長的需求。NXP推出的SJA1105QEL/SEL系列車載以太網(wǎng)千兆交換機在支持802.1Qav及802.1AS等AVB特性的基礎(chǔ)上擴張支持了IEEE 802.1Qbv及IEEE 802.1Qci等TSN特性。隨著車載以太網(wǎng)逐漸成為汽車電子架構(gòu)中的主干網(wǎng)，TSN技術(shù)也將被越來越多的應(yīng)用在汽車領(lǐng)域中。